C++界面開發程序Qt使用教程：在Vulkan，Metal和Direct3D上運行Qt Quick-第3部分

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Qt是目前最先進、最完整的跨平臺C++開發工具。它不僅完全實現了一次編寫，所有平臺無差別運行，更提供了幾乎所有開發過程中需要用到的工具。如今，Qt已被運用于超過70個行業、數千家企業，支持數百萬設備及應用。

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在Qt圖形系列文章的第三部分(第一部分、第二部分)，我們會了解在Qt 5.14中，將Qt Quick的Scene Graph切換到通過QRhi (Qt渲染硬件接口)渲染時，著色器是如何工作的。我們先研究著色器的處理方式，然后再深入研究RHI，因為在Qt Quick中當需要使用ShaderEffect Item或自定義材質時，必須自己編寫片段和/或頂點著色器代碼，因此必需要了解新的著色器處理方法(到Qt 6時才能升級)。

說到Qt 6：雖然我們在這里描述的內容只會應用到Qt 5.14，后面的版本還會有許多修改，但是我們現在闡述的內容極有可能是Qt 6中處理圖形和通用計算著色器的基礎，當然到時細節內容會打磨得更加精致

為什么加入新東西？

問題一

查看qtdeclarative源代碼樹（即包含QtQml 、QtQuick和相關模塊的git代碼倉庫），然后進入著色器目錄，其中包含了Qt Quick Scene Graph內建材質的頂點著色器和片段著色器代碼，你會發現Qt Quick已為每個GLSL頂點和片段著色器準備了兩個版本：

為什么這樣處理呢？這是為了兼容支持使用了核心配置（core profile）的OpenGL（對應OpenGL 3.2及以上）。由于OpenGL標準并沒有要求新版本的OpenGL實現必須支持GLSL 100/110/120的編譯（即老的GLSL版本），因此Qt不得不準備了兩個版本的GLSL：一個適配OpenGL ES 2.0、OpenGL 2.1和兼容性配置（compatibility profile），另一個（GLSL版本號為150）專門用于適配核心配置。如本系列博客第一部分所述，在需要把自定義OpenGL渲染和基礎的Qt Quick UI結合的使用場景中，提供兩個版本的著色器代碼才能使開發者可以自由選擇使用哪個版本的OpenGL。因為不論選擇兼容性配置還是核心配置，Qt Quick都可以正常渲染。

當著色器版本的數量是2時，這種實現方式還是可以正常實施的。但如果現在我們還需要添加Vulkan風格的GLSL、HLSL和MSL呢？遺憾的是，這種方式無法規模化擴展。

問題二

與OpenGL不同，一些較新的圖形API不再支持內置著色器編譯。(再見了，glCompileShader)。而即使最終還是支持著色器編譯，這部分功能可能變成了一個分離的庫，但它們可能不提供運行時反射機制，這意味著沒有辦法動態定位輸入頂點以及其他頂點、片段或通用計算著色器所需要的材質，以及這些材質的布局。(例如，一個uniform變量的名稱和偏移量)

問題三

一個內部細節：Qt Quick Scene Graph的批次處理系統需要對頂點著色器進行一些調整，在一個稱為合并批次中調整材質（就是當多個幾何節點最終合并到一個draw調用后得到的結果）。把著色器傳送到glCompileShader之前動態修改，這種方式適用于只有一種著色語言在使用的情況，不能簡單擴展到必須為多種不同語言實現相同邏輯的情況。

如何改變呢？

看看Khronos的SPIR頁面，里面有一張很好的關于SPIR-V開源生態系統的信息圖片。為什么不嘗試在此基礎上進行開發呢?

我們感興趣的關鍵組件如下：

• glslang, 從GLSL（OpenGL 或 Vulkan 風格)到SPIR-V的編譯器, 結果是一個中間語言。
• SPIRV-Cross，把SPIR-V向高級語言進行反射和反匯編的庫，比如 GLSL、HLSL和MSL。

因此，如果我們“標準化”一種語言，比如Vulkan風格的GLSL，把它編譯成SPIR-V，我們就可以適配Vulkan了。然后，如果我們通過SPIRV-Cross運行SPIR-V的二進制文件，就可以獲得所需的反射信息，并可以為各種版本的GLSL、HLSL和Metal著色器語言生成源代碼。

 （是的，GLSL仍然至關重要，因為雖然有讓OpenGL可以直接使用SPIR-V的擴展，但是指望這套方式在實際中應用并不現實，因為這樣的擴展在90%的Qt目標平臺和設備上不存在——例如，OpenGL ES 2.0在2019年仍然常見。）

最后，將所有這些（包括元數據反射特性）打包到一個可以方便（反）序列化的包中，這樣就得到了我們的解決方案。

因此，設置QSG_RHI=1然后運行Qt Quick應用程序，其后端渲染管道是這樣的：

Vulkan-flavor GLSL

[ -> generate batching-friendly variant for vertex shaders]

-> glslang : SPIR-V bytecode

-> SPIRV-Cross : reflection metadata + GLSL/HLSL/MSL source

-> pack it all together and serialize to a .qsb file

.qsb擴展名來自于執行上述步驟的命令行工具的名稱——qsb，Qt Shader Baker的縮寫。(不要與qbs混淆)

在運行時，.qsb文件被反序列化成QShader實例。它是一個相當簡單的容器，遵循標準的Qt模式，如隱式共享，并為一個著色器托管多個版本的源碼和字節碼以及包含反射數據的QShaderDescription。與RHI的其他部分一樣，這些類目前都是私有的API。

圖形層直接使用QShader實例。圖形流水線的狀態對象為每個激活的著色步驟分配一個QShader。然后QRhi后端從QShader容器中選擇適當的著色器版本。

在Qt 5.14中，具體選擇規則如下：

• 當目標是Vulkan時，選則SPIR-V 1.0
• 當目標是 D3D11時，選擇HLSL源碼或DXBC Shader Model 5.0
• 當目標為Metal時，選擇兼容MSL的Metal 1.2或者預編譯的metallib
• 當目標為OpenGL ES 上下文時， 分別選擇版本為320 es、310 es、300 es和100 es的GLSL源代碼（從上下文支持的最高版本開始降序排列）
• 當目標為OpenGL核心配置的上下文時，選擇版本為460、450、…、330、150的GLSL源代碼（從上下文支持的最高版本開始降序排列）
• 當目標是非核心配置的OpenGL上下文時，選擇版本為120或者110的GLSL源代碼（按同樣的優先級排序）。

上表中的HLSL和MSL條目初看可能會有些奇怪。這是因為我們即可以在運行時源碼編譯HLSL和MSL（我們的默認方法），同時也做了一些實驗，允許在.qsb包中包含預編譯的中間格式。在實踐中，這意味著調用fxc（目前還不支持dxc——它也在計劃中，但只有在我們開始研究D3D12時才真正相關）或Metal命令行工具，然后再在管道中執行上面所示的“打包”步驟。這里的挑戰當然是這些工具與它們的平臺（分別是Windows和macOS）綁定在一起，因此qsb只有當在該平臺上運行時才能被啟用。例如，在Linux上手動生成.qsb文件不可行。從長遠來看，這可能不是什么大問題，因為在Qt 6的規劃中，我們會研究更好地與構建系統集成，所以像qsb這樣的手動運行工具就不那么常見了。

等等，qsb是怎么來的?

來自Qt Shader Tools模塊。它提供了一個稱為QShaderBaker的API以及一個稱為qsb的命令行工具來執行上面描述的編譯、轉換和打包步驟。

這里有一點需要注意：這是一個Qt-labs模塊，所以它不會隨Qt 5.14一起發布。

為什么呢?主要是因為第三方依賴，例如glslang和SPIRV-Cross。涉及到需要在我們所有的目標平臺上編譯和運行的情況時，就會有許多事情需要調查和確認，有些與許可證相關。如果所有這些聽起來都很熟悉，那是因為在本博客系列的第一部分討論API轉換解決方案時提到了其中的一些問題。因此，現在生成.qsb包就牽涉到了該模塊的檢查和構建，然后才能手動運行.qsb工具。

盡管我們還是需要一個新的集成打包在Qt中的解決方案，目前依賴一個離線著色處理并不是件壞事。不管發生什么，它都是Qt 6的目標之一。我們的愿景是擁有一些與Qt構建系統集成的東西，這樣上述的著色器處理步驟就可以在應用程序(或庫)構建時完成。但這推遲到成為一個未來的目標，主要是因為即將到來的qmake -> cmake切換。一旦情況穩定下來，我們就可以開始在新系統上構建解決方案了。

那么Qt Quick在Qt 5.14中表現怎么樣？

看看qt/ src/quick/scenegraph/shaders_ng，答案很明顯：通過手動運行qsb（注意名稱很貼切的compile.bat），并通過Qt資源系統在Qt quick庫中引入生成的.qsb文件。正如上面所概述的，稍后應該會變得更加精巧一些，但是現在已經完成了任務。

.vert和.frag文件包含了與Vulkan兼容的GLSL代碼，并且沒有包含在Qt Quick 構建中。scenegraph.qrc中只有.qsb文件。

每個材質只有一對頂點和片段著色器，總是以與Vulkan兼容的GLSL的形式編寫，遵循一些簡單的約定（比如只使用一個uniform緩沖區，位于binding 0處）。

 所有這些文件都通過著色器機制運行，產生一個QShader包。在這個例子中，結果是相同著色器的六個版本，加上反射數據（qsb可以打印為JSON文本；然而.qsb文件本身是壓縮的不可讀的二進制文件)。這樣就解決了上面的問題一和二。

注意著色器列表中的[Standard]標簽。如果這是一個頂點著色器，并且指定了-b參數，輸出著色器的數量將是12個，而不是6個。另外的6個將被標記為[Batchable]，這表明它們是非常友好的批處理，對Qt Quick scenegraph的渲染器做了輕微的修改。這解決了問題3，代價是存儲會有所提高。(由于減少了運行時工作，所以最終是值得的)

本文涵蓋了新著色器管道背后的核心概念。我們將會在另一篇文章中討論ShaderEffect和QSGMaterial。基本思想（Qt 5.14中的）是傳遞.qsb文件的名稱，而不是著色器源碼字符串，但對于材質需要特別注意幾個問題（主要是由于使用uniform緩沖區代替了單一的緩沖區，而且由于沒有了線程上下文的概念，因此任何人都可以隨意改變狀態）。下次再詳細講。

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